ADCP技術(shù)在河道流量測驗中的應(yīng)用

劉健

【摘 要】ADCP技術(shù)是近年來發(fā)展速度較快的一種新型測量技術(shù)，具有諸多的優(yōu)點，目前在河道流量測驗中有所應(yīng)用。本文通過介紹ADCP技術(shù)的一些基本情況，結(jié)合工程實例探討了ADCP技術(shù)在河道流量測驗中的應(yīng)用，并總結(jié)了ADCP技術(shù)的應(yīng)用前景，以供類似研究參考。

【關(guān)鍵詞】ADCP技術(shù)；流量測驗；基本原理；應(yīng)用前景

河道流量測驗是城市水文工作的重要組成部分，流量資料的獲取對水資源的合理利用和城鄉(xiāng)防汛抗旱工作具有重要的意義，這也使得業(yè)界人士對于河道流量側(cè)測驗技術(shù)提出了更高的要求。目前，傳統(tǒng)的流速儀由于具有成本費用高、測量效率低和測量結(jié)果不準(zhǔn)確等不足，在發(fā)生特殊水情的情況下，無法滿足城鄉(xiāng)防汛抗旱工作的需要，在一定程度上制約了防汛指揮部門相關(guān)工作的開展。而ADCP技術(shù)作為一種先進的測流方法，具有測驗歷時短、效率高、精度高和成本低等優(yōu)點，能夠有效降低測驗人員的工作強度，解決水位流量測量存在的一些難題。

1.流量計算方法

ADCP采用矢量差乘積和微斷面的深度平均流速矢量來進行流量計算，其計算公式為：

（1）

式中：Q──流量；

S———河流某斷面面積；

u———河流斷面某點處流速矢量；

ξ———作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；

dS──河流斷面上微元面積。

1.1 中部平均流速和流量

中部平均流速由ADCP直接測出，其值為所有有效單元所測流速之平均，其公式為：

（2）

式中：vxM──中部平均流速（x向分量）；

uxj──單元j中所測的x向流速分量。

中部流量公式為：

（3）

式中：QM———中部流量；

Z1──河底至最后一個有效單元的高度；

Z2──河底至第一個有效單元的高度；

vyM──中部平均流速（y向分量）。

1.2 表層、底層平均流速和流量

表層平均流速公式為：

（4）

底層流速平均流速計算公式為：

（5）

表層流量由下式確定：

（6）

式中：Δt──相應(yīng)于微斷面的測量時間平均步長；

m──斷面內(nèi)總的微斷面數(shù)目；

vx、vy──分別為x、y方向的深度平均流速；

vbx、vby──分別為x、y方向的船速。

底層流量由下式確定：

（7）

1.3 岸邊流量估算

對于岸邊區(qū)域，ADCP不能測出其流速和流量，可以利用經(jīng)驗方法估算。岸邊區(qū)域平均流速計算公式為：

va=αvm （8）

式中：va──岸邊區(qū)域平均流速；

vm——起點微斷面（或終點微斷面）內(nèi)的深度平均流速；

α──岸邊流速系數(shù)，通常取用0.707。

岸邊流量由下式估算：

QNB=αAavm （9）

式中：QNB──岸邊流量；

Aa──岸邊區(qū)域面積。

根據(jù)ADCP流量計算原理，斷面流量等于中部、表層、底層流量與岸邊估算流量之和。

2.比測分析

測驗斷面距某水庫大壩1000m，河寬在100～120m，為卵石河床，正常水流狀態(tài)下河床穩(wěn)定，沖淤變化較小。通常情況下，除水庫沖沙外，全年大部分時間水流含沙量較小或是清水水流。受水庫調(diào)蓄變化的影響，水位變化頻繁，日變幅較大，穩(wěn)定時間短，這使流速儀測驗的測次布設(shè)和測驗控制很困難，也不能滿足水情報汛需求，為此，2009年該站采用ADCP測流，并與傳統(tǒng)的流速儀進行比測，經(jīng)過比測分析，ADCP在該站取得了較好的效果。

（1）水深比測

將ADCP與纜道同步測深，取ADCP實測水深與纜道實測水深比較，共收集92個樣本進行統(tǒng)計，比測分析成果見表1。

表1 水深比測統(tǒng)計

（2）垂線平均流速比測

將ADCP與纜道同步測速，取ADCP二個來回平均垂線流速值與流速儀法垂線平均流速比較，共收集了87個垂線平均流速比測樣本，比測分析成果見表2。

表2 垂線平均流速比測統(tǒng)計

（3）流量比測

2009年采用流速儀精測法測驗，系統(tǒng)地將ADCP流量資料與流速儀法資料進行了對比分析。共收集了48個樣本，全部參加相關(guān)線檢驗。由流速儀法實測流量與ADCP計算的斷面平均流量進行對比，按照《水文資料整編規(guī)范》要求進行精度分析、3種檢驗，分析成果見表3，結(jié)果顯示，系統(tǒng)誤差達標(biāo)，3種檢驗均通過。

ADCP在水文流量測驗中，充分顯示了該儀器的先進性，有著與常規(guī)流速儀無法比擬的優(yōu)勢。目前在水文流量測驗中，已基本普及了ADCP測流技術(shù)，為掌握水電站防洪調(diào)度、合理開發(fā)利用水資源、江河流域的科學(xué)治理和規(guī)劃提供了基礎(chǔ)資料。

表3 流量比測統(tǒng)計

3.ADCP測流中需注意的幾個問題

3.1 高含沙水流對ADCP流量測驗的影響

對于大部分河流，高含沙量的影響可能使底跟蹤和水深測量失效，因此對于高含沙量的河流，應(yīng)選頻率較低的ADCP，可是通常低頻率系統(tǒng)分辨率較低，不適合較淺的河流，這時寬帶ADCP比窄帶ADCP有較大的優(yōu)越性，例如600kHz，深淺河流均可使用。如果ADCP在高含沙量水流中不能正常進行底跟蹤和水深測量，只有采用差分GPS測量船速，采用測深儀測量水深。

3.2 河底推移質(zhì)運動

河底泥沙在高流速時會隨水流遷移形成推移質(zhì)運動，如果河床有推移質(zhì)在運動，底跟蹤測量的船速將會有偏差，為了消除或減小由推移質(zhì)運動引起的偏差，可以采用GPS測量船速。

3.3 深度單元尺寸的選擇

受深度單元尺寸影響的參數(shù)包括：①流速測量精度；②流速測量垂向分辨率；③剖面深度；④實測范圍。單元尺寸小，流速垂線數(shù)據(jù)點多，流速測量精度降低。因此水深較大時，應(yīng)采用較大的單元，然而，當(dāng)水深較淺時，應(yīng)盡量選擇較小的單元，以增大實測范圍，即增加垂向有效單元的數(shù)目。

3.4 ADCP操作注意事項

在使用ADCP時，應(yīng)按照ADCP操作規(guī)范進行操作，保護好三體船、換能器、蓄電池等相關(guān)零件，接線連接時，特別注意蓄電池正負極不能接反。流量測驗之前，用軟件進行自檢，直到檢測通過，然后設(shè)置儀器參數(shù)，即可進行流量測驗，至少測二個回合才能統(tǒng)計測驗數(shù)據(jù)。

4.應(yīng)用前景分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ADCP技術(shù)也在不斷地更新，在提高測驗精度、效率的同時，降低了測驗人員的勞動強度，但也有幾個待解決的問題：

（1）采用ADCP測驗速度快，效率高，一般情況下要測二個來回取其平均值作為最終測驗成果，由于兩次測量線路不一定相同，這就給要求嚴(yán)格的資料整編帶來不便。

（2）ADCP生成的測驗成果不能很好地應(yīng)用于南方片水文資料整編系統(tǒng)，數(shù)據(jù)需要手工錄入相應(yīng)表格。

（3）由技術(shù)的限制，ADCP測流存在表層、底層、左右岸盲區(qū)，盲區(qū)部分流量由流量數(shù)學(xué)公式進行計算。

（4）ADCP是聲學(xué)測驗設(shè)備，含沙量較大會對測驗精度有一定的影響，在應(yīng)用上受到限制，在低含沙量的河流上進行測驗比高含沙量的河流上測驗精度高。

（5）ADCP換能器是封閉的，內(nèi)部出現(xiàn)故障，非專業(yè)人員無從下手，自己不能檢查維修，請專業(yè)人員維修，在時間上也對流量測驗有影響。

5. 結(jié)語

綜上所述，ADCP技術(shù)在城鄉(xiāng)河道流量測驗中得到廣泛的應(yīng)用，為城鄉(xiāng)防汛抗旱工作提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便防汛指揮部門作出正確的決策。但ADCP技術(shù)在應(yīng)用過程中仍存在一些問題，因此，技術(shù)人員應(yīng)通過不斷的實踐與探索，及時發(fā)現(xiàn)問題并加以解決，進一步完善ADCP技術(shù)，使其更好地應(yīng)用于今后的水文測驗中。

參考文獻：

[1] 陳偉忠.走航式ADCP流量測驗應(yīng)用初探[J].價值工程.2012年第24期

[2] 王成；李江艷.ADCP技術(shù)在水文測驗中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究.2012年第02期